【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及相變儲能和熱管理，特別涉及一種隔熱-導熱一體化相變復合材料及其制備方法。
技術介紹
1、相變潛儲熱技術憑借其高效的潛熱儲存能力，在建筑節能、太陽能利用等領域展現出巨大的應用潛力。該技術通過物質相變過程中的潛熱釋放或吸收，實現能量的存儲與釋放。為了提升系統的導熱效率，科研人員設計了定向導熱結構，通過優化熱流路徑來增強導熱性能。然而，這種設計雖然在短期內提升了導熱效率，但同時加快熱量的傳遞，導致儲熱的快速釋放，這與在建筑領域對于持續性供熱以及電子元器件抗擊瞬態熱脈沖的需求相悖。
2、為了解決這一矛盾，提出了高導熱相變層與低導熱氣凝膠層之間的復合結構設計。這種設計旨在通過高導熱相變材料快速吸收和釋放熱量，同時利用低導熱氣凝膠層減緩熱量的流失，以實現熱量的長時間保持。然而，這種復合材料在實際應用中存在界面連接強度不足的問題。導致材料在使用過程中出現開裂，影響材料的穩定性和使用壽命。因此，如何實現高導熱相變層與低導熱氣凝膠層結構的一體化，成為了提升相變潛儲熱系統性能的關鍵技術難題。
技術實現思路
1、本專利技術的目的就是克服現有技術的不足，提供了一種隔熱-導熱一體化相變復合材料及其制備方法，解決了現有技術中缺少一種同時具備導熱、儲熱以及隔熱功能的一體化特殊材料的問題。
2、本專利技術采用如下技術方案：
3、一方面，本專利技術提供了一種隔熱-導熱一體化相變復合材料的制備方法，包括：
4、s1、將增稠劑和導熱填料溶于纖維素水溶液中，得
5、s2、將隔熱層聚合物、納米纖維、無機納米填料和鈣離子調節劑溶于水中混合均勻，得到隔熱層前驅體混合液；
6、s3、將所述導熱層前驅體混合漿料、隔熱層前驅體混合液先后倒入定制模具中，液氮定向冷凍、冷凍干燥，得到氣溶膠；
7、s4、將冷凍干燥后的所述氣溶膠進行熱亞胺化；
8、s5、將熱亞胺化后的產品的導熱層浸入熔融相變材料中，部分浸漬相變材料，采用物理吸附法將相變材料封裝在導熱層氣凝膠的骨架中，獲得所述隔熱-導熱一體化相變復合材料。
9、如上所述的任一可能的實現方式，進一步提供一種實現方式，步驟s1中，纖維素水溶液濃度為1～10mg/ml，增稠劑與導熱填料的添加量質量比為200：(50～1000)。
10、上述參數區間是平衡了導熱層的導熱能力與前驅體溶液的粘稠度的最優區間；當參數低于下限時，導熱填料的添加量不足導致導熱層導熱系數提升不明顯，無法滿足應用過程中的熱能的高效儲存與釋放；當參數高于上限時，前驅體溶液的粘稠度顯著降低，無法滿足定向冷凍過程前隔熱層溶液浮于導熱層溶液的上部，無法分層。
11、如上所述的任一可能的實現方式，進一步提供一種實現方式，步驟s2中，隔熱層聚合物和納米纖維的添加量質量比為600：(10～200)，隔熱層聚合物和納米填料的添加量質量比為：600：(10～200)，鈣離子調節劑濃度為0.1mol/l，添加量為0.2～5ml。
12、上述參數區間是平衡了隔熱層氣凝膠的抗收縮能力與導熱系數的最優區間；隔熱層聚合物和納米纖維/納米填料的添加量質量比低于下限時，納米填料和納米纖維的加入量不足，導致聚酰亞胺酸氣凝膠在冷凍干燥以及熱亞胺化過程中骨架收縮嚴重，顯著降低氣凝膠的隔熱性能。當參數高于上限時，納米填料的加入量過多，導致聚酰亞胺氣凝膠的導熱系數顯著提升，降低了氣凝膠的隔熱性能。
13、如上所述的任一可能的實現方式，進一步提供一種實現方式，步驟s3中，先將所述導熱層前驅體混合漿料倒入定制模具，再將所述隔熱層前驅體混合液緩慢倒入所述導熱層前驅體混合漿料上部，靜置一定時間后，液氮定向冷凍。
14、如上所述的任一可能的實現方式，進一步提供一種實現方式，步驟s4中，所述熱亞胺化的條件為：在氮氣氛圍下，200℃保溫1～2h，300℃保溫1～4h，升溫速率為3～6℃
15、/min。
16、如上所述的任一可能的實現方式，進一步提供一種實現方式，步驟s5中，調控熔融相變材料的質量以及吸附時間，實現導熱層充分浸漬相變材料，而隔熱層對于相變材料零吸附。
17、如上所述的任一可能的實現方式，進一步提供一種實現方式，步驟s1中，所述增稠劑為海藻酸鈉，所述導熱填料為單壁碳納米管、碳纖維、石墨烯納米片、氧化石墨烯(go)、還原氧化石墨烯、mxene、膨脹石墨、氮化鋁、氮化硼中的任意一種。
18、如上所述的任一可能的實現方式，進一步提供一種實現方式，步驟s2中，所述隔熱層聚合物為聚酰亞胺酸(paa)，所述納米纖維為芳綸納米纖維、羧甲基纖維素、纖維素納米纖維、微晶纖維素、纖維素納米晶體、纖維素納米網中的任意一種，所述無機納米填料為納米二氧化硅、氧化石墨烯、碳納米管、納米粘土、納米氧化鋁、納米氫氧化鋁、納米氧化鋯、納米硼酸鋅、納米二氧化鈦和納米硅酸鹽中的任意一種，所述鈣離子調節劑為氟化鈣、氯化鈣、溴化鈣、硝酸鈣、醋酸鈣中的任意一種水溶液。
19、步驟s4中，熱亞胺化目的是為了將paa發生脫水成環形成酰亞胺化結構，轉化為具有更高熱穩定性和隔熱性能的的聚酰亞胺(pi)氣凝膠；熱亞胺化過程不僅能夠使分子鏈剛性增強，還消除了鏈段內殘余的溶劑小分子。
20、如上所述的任一可能的實現方式，進一步提供一種實現方式，步驟s5中，所述鈣離子調節劑為氟化鈣、氯化鈣、溴化鈣、硝酸鈣、醋酸鈣中的任意一種水溶液。
21、另一方面，本專利技術還提供了一種隔熱-導熱一體化相變復合材料，所述復合材料通過上述的制備方法得到。
22、本專利技術的有益效果為：
23、1、本專利技術相變復合材料制備方法，針對氣凝膠隔熱層材料設計，利用水平方向定向冷凍技術以及加入鈣離子進行結構調控，實現了水平方向上的骨架取向，提升材料在垂直方向上的隔熱性能；針對相變導熱層材料設計，通過添加導熱填料，以在豎直方向上定向冷凍構建豎直導熱通道，提升其導熱能力。最終得到導熱性能、儲熱性能以及隔熱性優異的隔熱-儲熱一體化相變復合材料。
24、2、本專利技術制成的相變復合材料具有儲熱密度大、熱穩定性高、控溫時間長等優點。隔熱層與導熱層采用正交式取向設計，實現快速儲熱的同時延緩熱傳遞。該相變復合材料可以在熱管理對象表面迅速吸收/釋放熱能，并較大程度上隔絕熱傳遞。針對建筑節能控溫領域或是電子元器件熱管理領域，可完成熱量的瞬時儲存以及囤積，提升了熱管理過程中的持續性以及安全可靠性。
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1.一種隔熱-導熱一體化相變復合材料的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括：
2.如權利要求1所述的隔熱-導熱一體化相變復合材料的制備方法，其特征在于，步驟S1中，纖維素水溶液濃度為1～10mg/mL，增稠劑與導熱填料的添加量質量比為200：
3.如權利要求1所述的隔熱-導熱一體化相變復合材料的制備方法，其特征在于，步驟S2中，隔熱層聚合物和納米纖維的添加量質量比為600：(10～200)，隔熱層聚合物和納米填料的添加量質量比為：600：(10～200)，鈣離子調節劑濃度為0.1mol/L，添加量為0.2～5mL。
4.如權利要求1所述的隔熱-導熱一體化相變復合材料的制備方法，其特征在于，步驟S3中，先將所述導熱層前驅體混合漿料倒入定制模具，再將所述隔熱層前驅體混合液緩慢倒入所述導熱層前驅體混合漿料上部，靜置一定時間后，液氮定向冷凍。
5.如權利要求1所述的隔熱-導熱一體化相變復合材料的制備方法，其特征在于，步驟S4中，所述熱亞胺化的條件為：在氮氣氛圍下，200℃保溫1～2h，300℃保溫1～4h，升溫速率為3～6℃/min。p>
6.如權利要求1所述的隔熱-導熱一體化相變復合材料的制備方法，其特征在于，步驟S5中，調控熔融相變材料的質量以及吸附時間，實現導熱層充分浸漬相變材料，而隔熱層對于相變材料零吸附。
7.如權利要求1所述的隔熱-導熱一體化相變復合材料的制備方法，其特征在于，步驟S1中，所述增稠劑為海藻酸鈉，所述導熱填料為單壁碳納米管、碳纖維、石墨烯納米片、氧化石墨烯、還原氧化石墨烯、MXene、膨脹石墨、氮化鋁、氮化硼中的任意一種。
8.如權利要求1所述的隔熱-導熱一體化相變復合材料的制備方法，其特征在于，步驟S2中，所述隔熱層聚合物為聚酰亞胺酸，所述納米纖維為芳綸納米纖維、羧甲基纖維素、纖維素納米纖維、微晶纖維素、纖維素納米晶體、纖維素納米網中的任意一種，所述無機納米填料為納米二氧化硅、氧化石墨烯、碳納米管、納米粘土、納米氧化鋁、納米氫氧化鋁、納米氧化鋯、納米硼酸鋅、納米二氧化鈦和納米硅酸鹽中的任意一種，所述鈣離子調節劑為氟化鈣、氯化鈣、溴化鈣、硝酸鈣、醋酸鈣中的任意一種水溶液。
9.如權利要求1所述的隔熱-導熱一體化相變復合材料的制備方法，其特征在于，步驟S5中，所述鈣離子調節劑為氟化鈣、氯化鈣、溴化鈣、硝酸鈣、醋酸鈣中的任意一種水溶液。
10.一種隔熱-導熱一體化相變復合材料，其特征在于，所述復合材料通過如權利要求1-9任一項所述的制備方法得到。
...【技術特征摘要】
1.一種隔熱-導熱一體化相變復合材料的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括：
2.如權利要求1所述的隔熱-導熱一體化相變復合材料的制備方法，其特征在于，步驟s1中，纖維素水溶液濃度為1～10mg/ml，增稠劑與導熱填料的添加量質量比為200：
3.如權利要求1所述的隔熱-導熱一體化相變復合材料的制備方法，其特征在于，步驟s2中，隔熱層聚合物和納米纖維的添加量質量比為600：(10～200)，隔熱層聚合物和納米填料的添加量質量比為：600：(10～200)，鈣離子調節劑濃度為0.1mol/l，添加量為0.2～5ml。
4.如權利要求1所述的隔熱-導熱一體化相變復合材料的制備方法，其特征在于，步驟s3中，先將所述導熱層前驅體混合漿料倒入定制模具，再將所述隔熱層前驅體混合液緩慢倒入所述導熱層前驅體混合漿料上部，靜置一定時間后，液氮定向冷凍。
5.如權利要求1所述的隔熱-導熱一體化相變復合材料的制備方法，其特征在于，步驟s4中，所述熱亞胺化的條件為：在氮氣氛圍下，200℃保溫1～2h，300℃保溫1～4h，升溫速率為3～6℃/min。
6.如權利要求1所述的隔熱-導熱一體化相變復合材料的制備方法，其特征在于，步驟s5中，調控熔融相變...
【專利技術屬性】
技術研發人員：黃秀兵，童駿，陶醉，侯雯婕，廖慧敏，王戈，
申請(專利權)人：北京科技大學，
類型：發明
國別省市：
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